Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа МБОУ СОШ №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«ИЛЛЮЗИИ И ПАРАДОКСЫ ЗРЕНИЯ»

Барабинск, 2022

Содержание

Введение

«Посредством глаза, но не глазом

Смотреть на мир умеет разум»

Уильям Блейк (1757-1827)

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с иллюзиями и порой не расцениваем их как иллюзии. Их роль всегда была высока, в древности их использовали шаманы, картины всемирно известного Леонардо да Винчи полны скрытых оптических иллюзий. Пизанская башня "падает" визуально только на 10 % по причинам, связанным со строительством, 90 % из них - это оптический обман. Иллюзии применяются в искусстве, архитектуре, кинематографии, в военном деле, в рекламе. Известно, что 90% всей информации человек получает благодаря зрению. Существует поговорка: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Но всегда ли мы можем доверять своему зрению? Наше восприятие обманчиво, и многое оказывается совсем не тем, чем кажется на первый взгляд. Даже самые простые вещи могут таить в себе самые неожиданные открытия, нужно только присмотреться. Так стоит ли доверять всему, что мы видим?

В век информационных технологий зрительные иллюзии широко применяются в искусстве и в архитектуре. Издавна людей интриговали оптические явления, за которыми они наблюдали, но не могли объяснить. В работе проанализированы известные оптические «обманы», рассмотрены примеры оптических явлений. [1]

Мне стало интересно, что такое иллюзия, какие виды иллюзий существуют, как они появляются, как оптические иллюзии влияют на мозг человека? Вообще, можно ли доверять тому, что мы видим? Всё ли мы видим? И, конечно, самой провести исследование, показывающее ограниченность способности наших глаз, а также попробовать создать свою иллюзию.

1. Актуальность темы

Актуальность моей темы заключается в том, что еще с давних пор люди не только поражаются обманами зрения и забавляются зрительными иллюзиями, но и сознательно используют их в своей практической деятельности, пытаясь изобразить объёмные тела на плоскости так, чтобы чувствовалась глубина пространства. Уже тысячи лет зрительные иллюзии целенаправленно используются в архитектуре для создания определённых пространственных впечатлений, например для кажущегося увеличения высоты и площади залов, изменение фасада здания. Ещё более эффективно зрительные иллюзии используются в изобразительном и цирковом искусстве. Зрительные иллюзии стали основой кинематографии и телевидения, учитываются в полиграфии и военном деле. Создаваемая при помощи технических средств виртуальная зрительная реальность занимает в жизни современного человека огромное место и тесно переплетается с действительностью.

2. Цели и задачи

Цель исследования:

Изучение иллюзий, миражей, выяснение причин их появления, наблюдение иллюзий, создание собственной иллюзии.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретический материал по данной теме;
2. Выяснить, что такое иллюзия, как она возникает, какие виды иллюзий существуют, как оптические иллюзии влияют на мозг человек;
3. Продемонстрировать примеры иллюзий, сделать интересные оптические иллюзии своими руками в домашних условиях;
4. Изучить понятие миража как одного из оптических явлений;
5. Объяснить возникновение иллюзий с точки зрения физики.

Методы исследования:

- анализ источников информации;

- проведения опытов;

- обобщение полученных знаний.

3. Оптические иллюзии

3.1.Что такое оптические иллюзии

Что такое «Иллюзия»?

Иллюзия - это искаженное, неадекватное отражение свойств воспринимаемого объекта. Слово происходит от латинского слова «illusio» - заблуждение, обман.

1. Иллюзии как следствие несовершенства органов чувств, свойственны всем людям, например, оптические иллюзии;
2. Иллюзии, обусловленные особым состоянием психики (например, страхом, снижением тонуса психической деятельности); наличие ложно воспринимаемого реального объекта отличает иллюзии от галлюцинаций (обман чувств, ложное восприятие, возникающее без соответствующего внешнего раздражения, воспринимаются как реальные явления, но возможно и критическое отношение к ним).
3. Ложные представления, связанные с определенными социальными установками индивида.
4. Несбыточные надежды.
5. Зрительные иллюзии — ошибки в зрительном восприятии, вызванные неточностью или неадекватностью процессов неосознаваемой коррекции зрительного образа (лунная иллюзия, неверная оценка длины отрезков, величины углов или цвета изображённого объекта, иллюзии движения, и др.), а также физическими причинами («сплюснутая Луна», «сломанная ложка» в стакане с водой). Причины оптических иллюзий исследуют как при рассмотрении физиологии зрения, так и в рамках изучения психологии зрительного восприятия.
6. Оптические иллюзии показывают, что не всегда можно верить тому, что видишь. Многие полагают, что реально только то, что у них перед глазами. Оптические иллюзии отражают наличие неочевидного в жизни — иллюзорный феномен.
7. Игры с оптическими иллюзиями помогают изменять сознание. Мы хитростью заманиваем мозг на новые уровни восприятия. Мы начинаем видеть то, чего нет.

Оптическая иллюзия (зрительная иллюзия) – ошибка в зрительном восприятии, искажение пространственных соотношений признаков воспринимаемых объектов, ошибка в оценке и сравнении между собой длин отрезков, величин углов, расстояний между предметами, в восприятии формы предметов, совершаемые наблюдателем при определенных условиях. [2]

3.1.1. Природа зрительных иллюзий

Зрительные иллюзии связаны с некоторыми ограничениями и погрешностями процесса переработки информации в зрительной системе. Действительно, при рассматривании определенных объектов в специфическом окружении или в особых условиях наблюдения человек зачастую не вполне правильно оценивает размер, форму или цвет объектов, характер их движения, условия освещения и т. д. Часто «ошибочные» видимые образы очень убедительны, и человек, как правило, не может их «откорректировать» по своему желанию, даже если прекрасно осведомлен о том, что он должен был бы видеть, если бы зрение его не обманывало. Кроме того, к разряду зрительных иллюзий относят не только систематические ошибки восприятия, но и множество изобретенных людьми впечатляющих зрительных эффектов, в основе которых лежат фундаментальные свойства зрительных механизмов, а не их недостатки.[5]

История изучения зрительных иллюзий.

Систематическое изучение зрительных иллюзий началось примерно с середины 19 века. Во второй половине 19 — начале 20 веков было создано множество тестовых изображений, демонстрирующих наличие значительных ошибок в оценке размеров и формы геометрических фигур. В основе этих зрительных иллюзий лежит то обстоятельство, что на формирование видимого образа данного объекта всегда в большей или меньшей мере влияют объекты, располагающиеся по соседству с ним в поле зрения. Иными словами, наше зрительное впечатление о величине и форме объекта зависит от контекста, в котором он рассматривается. Это свойство нашего зрения было замечено очень давно. В частности, было обнаружено, что на воспринимаемую длину, кривизну и ориентацию линий большое влияние оказывают размеры фигур, в которые они включены, а также наличие прилегающих или пересекающих линий. Многие из придуманных в то время геометрических зрительных иллюзий стали классическими.

Происхождение оптических иллюзий

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв в определенные области головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют нашу зрительную систему.

Причины иллюзий:

 1. Наши глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация;

2. При нарушении передачи информационных сигналов по нервам происходят сбои, что опять приводит к ошибочному восприятию;

3. Мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.

Часто оптические иллюзии возникают из-за специфической работы глаза и ошибочного преобразования сигнала мозгом. Причины некоторых иллюзий установлены, но большинство из них не имеет научного объяснения, и по сей день.

Виды оптических иллюзий

По происхождению оптические иллюзии делятся на три вида:

• естественные, или созданные природой (например: мираж);
• искусственные, или придуманные человеком (фокусы с левитацией);
• смешанные, то есть естественные иллюзии, воссозданные человеком.

Виды иллюзий:

• зрительное искажение; иллюзии цвета и контраста;
• восприятие размера; иллюзия движения;
• двойственные изображение; невозможные фигуры;
• распознавание образа; соотношение фигур и фона;
• перевёрнутые картины.

3.1.2.Иллюзия восприятие цвета

Уже около ста лет известно, что когда на сетчатке глаза возникает изображение, состоящее из светлых и тёмных областей, свет от ярко освещённых участков как бы перетекает на тёмные участки. Это явление называется оптической иррадиацией: явление иррадиации состоит в том, что светлые предметы на темном фоне кажутся более увеличенными против своих настоящих размеров и как бы захватывают часть темного фона. Когда мы рассматриваем светлую поверхность на темном фоне, вследствие несовершенства хрусталика как бы раздвигаются границы этой поверхности, и эта поверхность кажется нам больше своих истинных геометрических размеров. На рисунке за счет яркости цветов белый квадрат кажется значительно большим относительно черного квадрата на белом фоне.

Любопытно отметить, что зная о данном свойстве черного цвета скрадывать размеры, дуэлянты в XIX веке предпочитали стреляться именно в черных костюмах в надежде на то, что противник промахнется при стрельбе.

Пример: Последняя иллюзия - иллюзия восприятия цвета. Одна из помеченных серых клеток кажется темнее другой, на самом деле они одинаковые. [4]

3.1.3. Иллюзия восприятие глубины

Иллюзии восприятия глубины — неадекватное отражение воспринимаемого предмета и его свойств. В настоящее время наиболее изученными являются иллюзорные эффекты, наблюдаемые при зрительном восприятии двухмерных контурных изображений. Мозг бессознательно видит рисунки только одно-выпуклые (-вогнутые). Восприятие зависит от направления внешнего (реального или подразумеваемого) освещения.

Примеры: иллюзия с витыми веревками (James Frazer, 1908), др. иллюзии Дж. Фрезера, Иллюзия Геринга (иллюзия веера), Иллюзия Вундта (1896), Иллюзия кафе"Wall".

3.1.4. Движущаяся иллюзия

Движущиеся иллюзии:

• Неподвижное изображение кажется движущимся.

• При рассматривании одинаковых движущихся мячей, Вы увидите, что они разного размера.

• Одно и тоже вращающееся изображение может вращаться в разные стороны, или даже совершать колебательные движения.

• Если человек долго смотрит на вращающийся структурированный объект, и этот объект внезапно останавливается, человеку начинает казаться, что после остановки объект начинает вращаться в обратную сторону — наблюдается последействие вращения. Эту иллюзию хорошо наблюдать, используя круги со случайно нанесенными пятнами.

• При наблюдении вращающихся эксцентрических кольцевых фигур возникает так называемый стереокинетический эффект — объект приобретает сильную иллюзию глубины. Интересно, что при наблюдении одним глазом (монокулярно) иллюзия обычно заметно сильнее, чем при бинокулярном наблюдении, что объясняется влиянием бинокулярных механизмов восприятия глубины. У людей с нарушениями бинокулярного зрения разница между бинокулярными и монокулярными условиями может отсутствовать или иметь обратный знак.

Примеры: иллюзия Райли (Bridget Riley), иллюзия Брауна (какие круги движутся быстрее: большие или маленькие?), Иллюзия Акуши Китаока, Иллюзия Оучи (эффект до сих пор не объяснён; ощущение движения и глубины появляется из-за интерпретации образов, воспринимаемых нашим мозгом; эффект трёхмерности пространства возникает, если кажется, что 2составных изображения расположены один перед другим – мозг воспринимает окружности как провалы), Иллюзия «Энигма» (появляется мерцание фиолетовых и синих колец; некоторые замечают циркулярное вращение, смешивание цветов).[5]

3.1.5. Иллюзия в природе

• Природный камуфляж

Природный камуфляж позволяет животным оставаться незамеченными для многочисленных хищников. Также иллюзия применяют в военном деле, камуфляж. Чем меньше контраст, тем менее заметен объект. На основе иллюзии «Фигура и фон» делают камуфляжную одежду для военных и охотников.

• Радуга

Эта оптическая иллюзия наблюдается в минуты, когда солнечные лучи освещают стену дождя на части неба, «противоположной» солнцу. Солнечный свет, проходя сквозь капли воды, многократно отражается и преломляется в них, как в маленьких призмах, и лучи разного цвета выходят из капель под различными углами. Это явление называется дисперсией (т. е. разложением) света. В результате образуется яркая радуга.

• Голубое небо

Голубой цвет неба - это иллюзия. Солнечный свет рассеивается в атмосфере планеты всем спектром лучей. Но степень рассеивания обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то есть в видимом диапазоне она максимальна для фиолетовых, синих и голубых лучей. Глазу такая смесь кажется голубой. Ночью, в тени Земли, освещение солнечными лучами прекращается, и атмосфера становится прозрачной – мы видим не земное небо, мы видим черный космос.

• Северное сияние

Эта иллюзия вызвана столкновением заряженных частиц с атомами в верхних слоях атмосферы.

3.2. Мираж

Мираж — атмосферическое явление, благодаря которому при известных обстоятельствах делаются в какой-либо местности видными предметы, действительное местонахождение которых вдали от места их наблюдения зрителем. Оно объясняется полным отражением лучей на границе двух слоев воздуха, имеющих различные температуры, если луч света падает с очень сильным наклоном на граничную плоскость. Если зритель и отдаленный предмет находятся на лишь немного повышенных точках и между ними лежит сильно нагретая солнцем песчаная почва, сообщающая свою теплоту ближайшим слоям воздуха и тем нагревающая их сильнее слоев, выше расположенных, зритель видит предмет в его действительном положении при посредстве лучей, прямо от предмета идущих к нему, и во-вторых, в перевернутом положении, при посредстве лучей, сначала идущих от предмета книзу, потом, при встрече с более теплыми и поэтому более редкими слоями воздуха, подвергающихся отражению и идущих к глазу наблюдателя, видящего предмет как бы отраженным в воде. Явление миража объясняется физическим законом преломления и отражения лучей. Миражи принято делить на три класса. [2]

3.2.1. Нижние миражи

К первому классу относят нижние миражи – перевернутое изображение предметов. Воздух состоит из слоев, которые имеют разную температуру и плотность. Когда лучи переходят из одного слоя в другой, они начинают преломляться, а если разница температуры слоев большая, то лучи вообще начинают отражаться, при этом, создавая иллюзии, которые называют миражами. Так, например, в пустыне песок раскаляется под солнцем, нижний слой воздуха нагревается и начинает отражать предметы, как зеркало. Нижние миражи можно наблюдать также на раскаленной солнцем асфальтовой дороге.

3.2.2. Верхние миражи

К миражам второго класса относятся верхние миражи. Верхний мираж возникает, когда слои воздуха возле земли гораздо холоднее, чем верхние: изображение отрывается от земли и повисает в воздухе, иногда оно бывает перевернутым. [4]

Верхний мираж или мираж дальнего видения

Наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха растёт с повышением высоты). Верхние миражи случаются в целом реже, чем нижние, но чаще всего бывают более стабильными, поскольку холодный воздух не имеет тенденцию двигаться вверх, а теплый - вниз. Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этих случаях, они слабее, менее четкие и стабильные. Верхний мираж может быть прямым или перевернутым, в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Часто изображение выглядит как фрагментарная мозаика прямых и перевернутых частей.

Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом. Это наблюдалось и задокументировано в первый раз в 1596 году, когда судно под командованием Виллема Баренца в поисках Северо-восточный прохода застряло во льдах на Новой Земле. Экипаж был вынужден пережидать полярную ночь. При этом восход Солнца после полярной ночи наблюдался на две недели раньше, чем ожидалось. В 20-м веке это явление было объяснено, и получило название "Эффект Новой Земли".

Например: моряки часто видят корабли, повисшие в воздухе, и даже корабли, находящиеся далеко за горизонтом.

3.2.3. Боковой мираж 

О существовании бокового миража обычно даже не подозревают. Это — отражение от нагретой отвесной стены. Такой случай описан одним французским автором. Приближаясь к форту крепости, он заметил, что ровная бетонная стена форта вдруг заблистала, как зеркало, отражая в себе окружающий ландшафт, почву, небо. Сделав еще несколько шагов, он заметил ту же перемену и с другой стеной форта. Казалось, будто серая неровная поверхность внезапно заменяется полированной. Стоял знойный день, и стены должны были сильно накалиться, в чем и заключалась разгадка их зеркальности. Оказалось, что мираж наблюдается всякий раз, когда стена достаточно нагреется солнечными лучами.

3.2.4. Фата – Моргана

Миражи третьего класса или фата-моргана – это таинственное явление, которое нельзя объяснить никакими законами физики. Фата–Моргана - сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Фата-Моргана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину Фата-Моргана. Одним из лучших мест в мире для наблюдения миражей является Аляска. Чем злее стужа на Аляске, тем четче и красивее возникают в небесах миражи. [6]

4. Парадоксы зрения

Парадоксы зрения - механизмы зрения, казалось бы, давно и хорошо изученные, таят в себе множество противоречий. Так, диаметры торцов палочек и колбочек (рецепторов ночного и дневного зрения соответственно) раз в десять больше размера минимальной точки изображения, воспринимаемой глазом; по законам физики на ярком свету человек должен хуже видеть мелкие детали, а реально все наоборот.

4.1.  Иррадиация

Иррадиация - явление зрительного восприятия человеком трехмерных объектов и плоских фигур на контрастном фоне, при котором происходит оптический обман зрения, заключенный в том, что наблюдаемый предмет кажется иного размера, нежели его истинный размер. Иррадиация объясняется тем, что каждая точка предмета даёт на сетчатке нашего глаза не точку, а маленький кружок. Поэтому светлая поверхность окаймляется на сетчатке глаза светлой полоской и увеличивается. Черные поверхности дают изображение в уменьшенном виде. Подобная иллюзия возникает из-за несовершенства анализа человеческим головным мозгом информации, полученной от органов зрения.

Преломление света. Это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред. Луч света, проходя через пластину, смещается параллельно своему первоначальному направлению. При рассматривании предметов через плоскопараллельную пластину они будут казаться смещенными.

Физиологическое двоение. Субъективно не ощущаемое удвоение изображения на сетчатке объекта, находящегося ближе или дальше точки фиксации; обусловливает восприятие глубины пространства. [6]

Стереоэффект. Ощущение протяжённости пространства и рельефности, возникающие при наблюдении реальных объектов.

Бинокулярное зрение. Способность одновременно чётко видеть изображение предмета обоими глазами; в этом случае человек видит одно изображение предмета, на который смотрит, то есть это зрение двумя глазами, с подсознательным соединением в зрительном анализаторе (коре головного мозга) изображений полученных каждым глазом в единый образ. Создаёт объёмность изображения. Бинокулярное зрение также называют стереоскопическим.

5. Опыты

При работе над данным проектом, проводя ниже приведенные опыты, я наблюдала различного рода иллюзии.

Мираж

Опыт №1. Можно ли в домашних условиях наблюдать мираж в воздухе? Необходимое оборудование: окно на кухне, новогодняя игрушка.

Для опыта я полностью открыла окно на кухне. На улице был мороз -20 градусов. Наблюдала за предметами, стоящими рядом с окном. Они дрожали и изгибались их формы. Круглая новогодняя игрушка становилась более вытянутой книзу.

Опыт №2. Почему темная баночка кажется белой? Необходимое оборудование: емкость с белым дном, баночка с темными стенками, водопроводная вода.

Для опыта я взяла баночку с темными стенками и поместила ее в емкость с белым дном. Емкость с белым дном заполнила холодной водой. Наполнила баночку с темными стенками кипящей водой. Стенки баночки стали белыми.

Вывод: В результате наблюдала мираж. Снаружи банки получен градиент температуры.

Иррадиация

Опыт №3. Почему возникает иллюзия, при которой черные участки кажутся нашему глазу меньше, нежели белые такой же величины?

Необходимое оборудование: лист бумаги, на котором на определенном расстоянии нарисованы одинаковые черные круги, два сверху и один снизу.

Для опыта необходимо посмотреть на лист бумаги и сказать, сколько черных кружков могло бы поместиться в свободном промежутке между нижним кружком и одним из верхних кружков. У меня получилось, что четыре кружка уместятся свободно. На самом деле в промежутке помещается ровно три кружка. Я взяла циркуль и убедилась в этом.

Вывод: Эта иллюзия объясняется иррадиацией. Каждая точка предмета даёт на сетчатке нашего глаза не точку, а маленький кружок. Поэтому светлая поверхность окаймляется на сетчатке глаза светлой полоской и увеличивается.

Черные поверхности дают изображение в уменьшенном виде.

Преломление света

Опыт №4. Почему стрелки, нарисованные на бумаге, вдруг изменили свое направление? Необходимое оборудование: стакан, водопроводная вода, лист бумаги с нарисованными стрелками.

Для опыта использовала стакан с водопроводной водой, который поставила  на стол. Взяла лист бумаги с нарисованными стрелочками. Установила его и подвинула к нему стакан с водой. Далее смотрела сквозь стекло на стрелочки. Я увидела, что направление стрелок поменялось на противоположное.

Вывод: Это происходит потому, что свет проходит сквозь воздух, стекло, воду, снова через стекло, а затем обратно. Он преломляется. Стакан воды выступает как линза. Когда луч света проходит сквозь линзу, он искривляется в сторону центра. Точка, в которой лучи сходятся вместе, называется фокусом, но за его пределами изображение переворачивается, потому что лучи меняют направление.

Опыт №5. Почему невидимая монета становится видимой?

Необходимое оборудование: чайная чашка, водопроводная вода, монета.

Для опыта положила на дно чайной чашки монету и расположила глаз так, чтобы край чашки закрывал её. В чашку налила воды. В результате монета стала видна.

Вывод: Это объясняется преломлением света при переходе луча из воздуха в воду.

Бинокулярное зрение

Опыт №6. Иллюзия «дыра» в ладони. Необходимое оборудование: свернутая их бумаги трубочка.

Для опыта я взяла трубочку, свернутую из листа бумаги и посмотрела сквозь трубку правым глазом, а левую ладонь приставила вплотную к дальнему концу трубки. Левым глазом смотрела на ладонь. У меня создалось впечатление, что в моей левой ладони образовалась дырка.

Вывод: Видимая через отверстие трубки картинка, накладывается на изображение ладони в другом глазу. Мозг получает от каждого глаза разные картинки и объединяет изображения, поэтому я увидела дырку в левой ладони.

Опыт №7. Может ли карандаш двоиться? Необходимое оборудование: стакан, водопроводная вода, карандаш.

Для опыта я взяла стакан с водой и поставила его на стол. За стаканом поставила карандаш на расстоянии 20 см. Я стала смотреть сквозь стекло и увидел два карандаша. Когда я закрыла левый глаз, то изображение карандаша справа исчезло. Когда я закрыла правый глаз, то исчезло изображение карандаша слева.

Вывод: Вода выполняет роль линзы. Поверхности воды имеет форму цилиндра, и каждый глаз смотрит сквозь эту поверхность немного под разным углом. Поэтому, когда оба глаза открыты, видны два изображения. При одном открытом глазе видно только одно изображение.

Опыт № 8. Одинаковы ли длина окружности у верней кромки рюмки и подставки?

Для опыта я взяла рюмку на ножке и измерительную ленту. Измерила сначала длину окружности верхней кромки, а затем длину окружности подставки, их длинна оказалась одинакова равная 24 сантиметра.

Вывод: Опытным путем доказано, что их длинна одинакова, хотя зрительно видно, что верхняя кромка у рюмки кажется больше.

6. Социологический опрос

Мною было проведено анкетирование: представлены картины иллюзий и опытов с ними, вопросов по данной теме было 6. В анкетировании участвовало 20 учащихся 11-х классов нашей школы. Данные представлены в таблице (Приложение 1).

7. Заключение

Наше зрение несовершенно и иногда мы видим не то, что существует в действительности. Но тот факт, что огромное большинство людей получают иногда одинаковые ошибочные зрительные впечатления, говорит об объективности нашего зрения и о том, что оно, дополняемое мышлением и практикой, дает нам относительно точные сведения о предметах внешнего мира. С другой стороны, тот факт, что разные люди в процессе зрительного восприятия обладают различной способностью ошибаться, иногда видят в предметах то, чего другие не замечают, говорит о субъективности наших зрительных ощущений и об их относительности. Мои исследования и практическая работа по созданию собственных иллюзий полностью подтвердили выдвинутую гипотезу: не всегда то, что мы видим, на самом деле является таковым.

В этой работе было выяснено, что среди учащихся 11 классов процент ребят, поддающихся иллюзии, равен 55%. Я думаю, что такая разница объясняется стереотипами, созданными жизненным опытом.

Изучив литературу по данной теме, проведя ряд экспериментов по выявлению процента ребят, поддающихся иллюзиям, я пришла к следующим выводам:

• Глаз любого человека видит мир одинаково, но восприятие увиденного – это процесс мышления человека. Поэтому каждый человек воспринимает мир по-своему. И надо уважать мнение каждого.
• Образное мышление, воображение можно развивать, используя в различные иллюзорные картины или создавая их самим. Это даст возможность увидеть всю многогранность окружающего нас мира. Также это разнообразит наш досуг.
• Не стоит забывать, что оптические иллюзии сопровождают нас в течение всей жизни. Поэтому знание основных видов, причин и возможных последствий их воздействия на человека необходим. Это поможет анализировать получаемую картинку, понимать, когда глаза нас обманывают, а когда изображение полностью реально.

В результате своей работы я могу сделать вывод, что иллюзия - это наука, в основе которой лежат обычные природные явления. Я определила, что существуют три основные причины возникновения оптических иллюзий:

1. Законы физики (преломление и отражение лучей).

2. Особенности строения глаза.

3. Оптические иллюзии – это обман нашего мозга, он не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.

Изучая литературу по данной теме, я узнала, как можно самому создавать оптические иллюзии, проводить разные эксперименты. Эти знания помогут мне лучше понимать некоторые природные явления, устройства некоторых предметов.

Тема иллюзий, миражей и парадоксов очень интересна и она может стать продолжением ещё многих исследований. Например, исследование иллюзий в математике.

И если, глядя на картину, мы видим разное, то, что можно сказать о лучшей и очень сложной картине – человеке???

8. Список использованной литературы. 

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. 11 класс. Углубленный уровень. Оптика. Квантовая физика. Учебник. – М.: Наука, 2019

2. Большая советская энциклопедия
3. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1994
4. Грегг Дж. Опыты со зрением – М.: Мир, 1970
5. http://wikipedia.org
6. Малая медицинская энциклопедия. — М.: Медицинская энциклопедия. 1991—96
7. Артамонов И. Д. Иллюзии зрения. М., 1969
8. Толанский С. Оптические иллюзии. М., 1967

Приложение 1

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №3

Титульный лист

Проект на тему

«Визуализация звуковых волн»

2021/2022 учебный год.

Оглавление

Введение        2

Актуальность проблемы        2

Проблема        2

Гипотеза        2

Объект исследования        3

Цель исследования        3

Задачи        3

Проектные продукты        3

Практическая значимость        3

План работы над учебным проектом:        3

Методы исследования        4

Средства исследования        4

Отзыв руководителя проекта        5

Основная часть        6

Эрнест Хладни и его эксперимент        6

Стоячие волны        8

Характеристики звука        12

Характеристики звуковых волн        12

Интенсивность различных звуков        13

Практичнская часть        14

Изготовление бумажного столика Хладни        14

Заключение        16

Список литературы, интернет-адреса        17

Введение

Актуальность проблемы

Каждый день мы произносим, слышим различные звуки, они окружают нас везде. Что такое звук? Какова его природа? Как взаимодействует звук с окружающей нас действительностью? Какое влияние оказывает звук на процессы творения мирозданья?

Мы знаем, что звук — это волна, а точнее это физическое явление волновой природы. Наука, которая изучает звук называется акустикой, название происходит от греческого слова «akuein», что означает «слышу». Формирующую силу звука можно легко продемонстрировать. Необходимо рассыпать немного тонкого песка на корпус скрипки (или гитары) и слегка, так чтобы песок не рассыпался, провести смычком по одной из струн (дернуть струну). Вы сразу увидите, что вибрация имеет формирующий эффект, поскольку как только тронутая струна зазвучит, и звук взятой ноты станет усиливаться, песок начнет собираться, образуя различные геометрические формы, например квадрат, который будет виден вполне отчетливо, или треугольник, или эллипс; возможно появление какого-либо замысловатого, необычайно красивого узора, напоминающего снежинку.

Будучи учеником школы МДЦ «Артек» я выполнял лабораторную работу, целью которой являлось получение фигур Хладни при помощи пластины, источника звука и песка. В результате работы меня заинтересовала данная тема и, конечно же, мне захотелось провести данный эксперимент в домашних условиях.  

Проблема

Как визуализировать звук? Можно ли с помощью подручных средств воспроизвести фигуры Хладни, и как эти средства использовать для того, чтобы изучить звук?

Гипотеза

Я предположил, что что с помощью металлической пластины и мелких частиц различного вида можно воспроизвести фигуры Хладни, с помощью подручных средств, находящихся дома, ярко увидеть изменение звуковых волн.

Объект исследования

Звуковые явления, фигуры Хладни.

Цель исследования

Получить с помощью звуковых волн картины фигур Хладни, проверить, как меняется картина распределения узлов и пучностей сыпучего материала от частоты звуковой волны.

Задачи:

• Собрать и проанализировать информацию о фигурах Хладни.
• Собрать установку для получения фигур Хладни.
• Провести ряд опытов по получению фигур Хладни.
• Проанализировать результат.
• Выяснить зависимость между изображением и некоторыми характеристиками звуковых волн.

Проектные продукты:

• Установка Хладни;
• Компьютерная презентация проектной работы;

Практическая значимость

Материалы из работы можно использовать в ходе проведения классного часа или урока физики: «Стоячие волны. Визуализация звуковых волн».

План работы над учебным проектом:

1. Сбор необходимой информации, подтверждающей или опровергающей гипотезу:

- изучение соответствующих литературных источников;

- поиск информации в интернете.

2. Проведение опытов
3. Проведение анализа полученных данных.
4. Вывод по проделанной работе.
5. Оформление проекта (изготовление продуктов проекта):

- подготовка и оформление доклада;

- подготовка компьютерной презентации для выступления перед комиссией.

6. Защита проекта:

- презентация проекта.

Методы исследования: 

• теоретический метод (анализ и синтез);
• эмпирический метод (сравнение);
• экспериментальный метод;
• математический метод (статистический метод, метод визуализации данных).

Средства исследования: поиск теоретического материала в книгах и интернете, изучение общественного мнения на эту тему.

Отзыв руководителя проекта

Основная часть

Без сомнения, всё наше знание начинается с опыта.

(Иммануил Кант)

 Эрнест Хладни и его эксперимент

При вибрации тонкой пластины её поверхность не остаётся плоской – на ней образуются впадины и выпуклости. В зависимости от частоты вибрации рисунок распределения высот по поверхности пластины изменяется от самого простого – до очень сложного. Эти распределения называются модами колебаний пластины. Их рисунок на поверхности впервые был получен в 1787г. немецким физиком Эрнстом Хладни. Чтобы их увидеть, достаточно на поверхность насыпать мелкий, но не липкий порошок, например, сухую сахарную пудру, сахарный песок, манную крупу и т.п.                

Эрнест Флоренс Фридрих Хладни (30 ноября 1756 – 3 апреля 1827) — немецкий физик, основоположник экспериментальной акустики. Открыл в 1787 году и описал «акустические фигуры», получаемые вследствие колебания упругой пластины, посыпанной песком. Объяснил эхо, экспериментально определил верхний порог слышимости звука — 22 000 Гц.

В ходе эксперимента по визуализации звука, небольшое количество песка насыпали на тонкую металлическую пластину.

Затем Хладни проводил смычком по краю пластины, что создавало определенные вибрации/колебания, то есть происходило распространение звуковой волны. Первоначально хаотично лежащий песок начинал самостоятельно перемещаться по пластине, тем самым образовывая от простых фигур до самых замысловатых геометрических узоров. Вид фигур существенно менялся в зависимости от формы и места крепления пластинки, а также от скорости, силы и места прикосновения смычком и/или пальцем (для задержки колебаний и образования узла). Так, например, при низких вибрациях на квадратных пластинках наблюдаются наиболее простые фигуры (крест, квадрат, круг и т.д.). В то время как на круглых пластинках - различные звездообразные фигуры. Геометрические узоры, образующиеся под воздействием звука на песке, были названы фигурами Хладни. 

Вот как рассказывает сам Хладни о своих опытах: «Я нигде не мог найти научного объяснения разного рода колебаниям и звучности тел. Между прочим, я заметил, что маленькая стеклянная или металлическая пластинка, подвешиваемая в разных точках, издавала различные звуки, когда я ударял по ней. Я захотел узнать причину этого различия звуков. Должен добавить, что тогда никто еще не производил исследований в этой области. Я зажал в тиски латунный кружок от шлифовальной машины за находившийся посредине него шип и заметил, что скрипичный смычок заставляет его издавать различные звуки в зависимости от места, где прикасается смычок».

В 1818 г. Хладни в одном из писем сообщал об остроумном применении его звуковых фигур одним строителем в Кобленце: для совмещения отверстий в каменной плите лестницы перед сверлением ее снизу строитель посыпал плиту песком, который при сверлении немного разрежался, точно указывая место для встречного сверления сверху. Проведенное исследование позволит расширить знания человека об окружающем его мире.

Стоячие волны

Если в среде распространяется одновременно несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн по отдельности. Это вытекающее из опыта утверждение называется принципом суперпозиции (наложения) волн.

В случае, когда колебания, обусловленные отдельными волнами в каждой из точек среды, обладают постоянной разностью фаз, волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции, заключающееся в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других точках ослабляют друг друга. Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной.

Стоячая волна — это волна, которая образуется при наложении двух волн с одинаковой амплитудой и частотой, когда волны движутся навстречу друг другу.

Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная волна накладываясь друг на друга, дают стоячую волну

Запишем уравнение прямой и обратной бегущей волны:

Прямая:

Обратная:

С учётом формулы для синуса суммы результирующее смещение равно:

Таким образом уравнение стоячей волны имеет формулу

Множитель  показывает, что это простые гармонические колебания с частотой , а выражение  называется амплитудой стоячей волны.

Максимальное значение амплитуды будут иметь точки, для которых  или  , где (n=0, 1, 2,…..), откуда  или

Точки, имеющие такие координаты, называют пучностями стоячей волны.

Минимальное значение, равное нулю, будут иметь те точки, для которых

 или  , где (n=0, 1, 2,…..), откуда  или … Точки, имеющие такие координаты, называют узлами стоячей волны.

 На рисунке сплошной линией изображено смещение колеблющихся точек среды в некоторый момент времени, пунктирной кривой – положение этих же точек через Т/2. Каждая точка совершает колебания с амплитудой, определяемой её расстоянием от источника вибраций (х). 

В отличие от бегущей волны в стоячей волне не происходит переноса энергии. Энергия просто переходит из потенциальной (при максимальном смещении точек среды от положения равновесия) в кинетическую (при прохождении точками положения равновесия) в пределах между узлами, остающимися неподвижными.

Все точки стоячей волны в пределах между узлами колеблются в одинаковой фазе, а по разные стороны от узла – в противофазе.

Стоячими волнами являются: колебания закрепленных по концам струн, мембран, колебания столбов воздуха в трубах (например, органных), звуковые колебания воздуха в закрытых помещениях и т.д.

Особенности стоячих волн:

1)В отличие от бегущей волны, когда различные точки среды колеблются с одинаковой амплитудой, в стоячей волне амплитуда колебаний неодинакова: в одних местах (удаленных друг от друга на  ) амплитуда колебаний максимальна (пучности), а в других – колебания вообще не происходят, т.е. амплитуда равна 0 (узлы). Таким образом, в противоположность однородной картине волнового поля бегущих волн в стоячих волнах с особенной отчетливостью проявляется характерное для всех случаев интерференции расчленение волнового поля на чередующиеся и стабильные области интерференционного усиления и ослабления колебаний.

2)При возникновении стоячей волны на концах ее образуется узел или, при других краевых условиях, пучность. Если по условиям опыта в конечных точках колебания невозможны, то понятно, что в этих местах располагаются узлы. Когда, напротив, колебания на концах возможны и даже облегчены (такие примеры будут рассмотрены в акустике), концами стоячей волны могут являться пучности.

3)Когда происходит отражение волны от более плотной среды, то в месте отражения фаза скачком изменятся на противоположную – теряется полволны. Действительно, ближайший к точке закрепления узел стоячей волны расположен на расстоянии   от точки закрепления, т.е. от места, где происходит отражение прямой волны и возникновение обратной волны. В узле колебания прямой и обратной волн противоположны по фазе (поэтому они и уничтожают друг друга). Вместе с тем прямая волна проходит от рассматриваемого нами последнего узла до точки закрепления узла  , и обратная волна проходит тот же путь . Мы видим, таким образом, что если бы при отражении не было утрачено полпериода колебаний, то фазы прямой и обратной волн должны были бы в той точке, где находится предпоследний узел, оказаться совпадающими, а не противоположными. 

 Характеристики звука

Скорость(V) — это векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчёта.

Длина(L) — это расстояние, находящееся между ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.

Частота(Г) — это количество появлений волны за единицу времени, то есть количество колебаний волны за секунду.

Период(Т) — это промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание.

Амплитуда(А) — это наибольшее (по модулю) отклонение, колеблющего тела от положения равновесия.

Характеристика звуковых волн

Интенсивность различных звуков

Практическая часть

Изготовление бумажного столика Хладни

Приборы: генератор звуковых волн, динамик, лист бумаги, песок.

В моём случае генератором звуковых волн выступает компьютер с программой, которая позволяет настроить частоту звука.

Я расположил динамик на ровной поверхности, на него положил квадратный лист плотной бумаги. На бумагу насыпал тонким слоем песок. Лист должен быть без вмятин, иначе в них будет собираться песок.

Подключаю динамик к компьютеру. Поэтапно возбуждаем динамик, с помощью программы, на частотах 400Гц, 600Гц, 800Гц, 1000Гц, 2000Гц, 3000Гц и наблюдаем за получаемой картиной узлов и пучностей из песка. Образование картины происходит за 45сек - 3 мин.

Фигуры получались только в этом диапазоне. Когда частота ниже 400Гц динамик начинает деформировать лист, из-за чего песок начинал прыгать по поверхности, впоследствии рисунок не складывался. Если частота выше 3000Гц, то изображение не сложится, из-за того, что плотность листа будет слишком высокой для частоты.

Результаты опыта можно увидеть в Приложение (№ 1-5).

Вывод: изменение возбуждаемой частоты в динамике влечет за собой изменение картины узлов и пучностей. С увеличением частоты число пучностей и узлов увеличивается.

Лабораторная работа в МДЦ «Артек»

В октябре 2021 года мне удалось побывать в МДЦ «Артек». Во время прибывания в лагере, мы так же посещали школу, где на уроках физики выполняли лабораторную работу по исследованию стоячих волн.

Приборы: металлическая пластина, подставка, генератор звуковых волн, динамик, манка.

Мне удалось сфотографировать фигуры, полученные при изменении частоты звуковой волны. (Приложение №6)

Результат кардинально отличается от того, что можно получить в домашних условиях без специального оборудования.

Заключение

Я соорудил столик Хладни и провел эксперимент. Добился визуализации звука с помощью фигур Хладни. Результаты показали, что фигуры зависят от частот, которые влияют на амплитуду колебаний, на узлы и пучности, в следствие чего для каждой частоты своя фигура. Также для успешного эксперимента обязательно соблюдать некоторые требования, а именно: 1)частицы должны быть мелкими, но не порошкообразными, например, идеально подойдет песок или манка, как в нашем случае; 2)пластина обязательно должна быть равносторонней; 3)пластина должна быть гладкой; 4)должно быть расстояние между динамиком и пластиной.

Исходя их исследования, можно сделать вывод, что визуализация звуковых волн является одним из красивейших зрелищ, которую можно увидеть своими глазами при помощи многих экспериментов.

На основе изучения и методов проведены опыты, позволившие визуализировать звуковые волны при помощи простых материалов и методы получения фигур Хладни. Выяснены зависимости между характеристиками звуковых волн. Так же исследование помогло понять, что изменение волн зависят от частоты вибрации, как и от амплитуды колебания.

Сейчас идет разработка различных нанотехнологий разными исследователями. Но, не смотря на большое количество получения нанотехнологий, звук является универсальный инструмент для них.

Список литературы, интернет-адреса

1. Звуковые фигуры Хладни.

2. Хладни Эрнст Флоренс Фридрих -- Биография.

3. Беспокойный гений Эрнста Хладни.

4. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика.- К.: Высшая школа, 1995. - 430 с.

5. Клюкин И. И. Удивительный мир звука.- Л.: Судостроение, 1978. - 166 с.

6. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. - К.: Высшая школа, 1995. - 430 с.

7. Исакович М. А.Общая акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.

8. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. - М.: Наука, 1995. - 343 с.

9.http://www.nanometer.ru

10.www.youtube.com

11.https://ru.wikipedia.org/wiki/Фигуры_Хладни

12.http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1341115

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Приложение №5

Приложение №6

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«Поющие бокалы»

Выполнила: Леденева Дарья Евгеньевна,

ученица 11 «И» класса

МБОУ СОШ №3, 11 класс

Руководитель:

Хромов Борис Николаевич,

учитель физики МБОУ СОШ №3

Барабинск, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1.Введение:                                                                                                        

• Актуальность                                                                                                                                                                            
• Цель исследования
• Задачи
• Объект исследования
• Предмет исследования
• Гипотеза
• Практическая значимость
• Методы и средства исследования

2.Основная часть:

• История возникновения                                                                              
• «Стеклянная гармоника Франклина»                                                        
• Получение звуковых колебаний с помощью различных колебательных систем.                                                                                                          
• Звук поющего бокала                                                                                  
• Опыты
• Результаты исследований                                                                            

3.Заключение                                                                                              

4.Список литературы, интернет-адреса        

5.Приложения                                                      

1.ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В современном мире многие люди знают, что из стеклянных бокалов можно извлекать звуки, но не все знают, что на них можно играть и создавать совершенно разные звуки, сравнимые с нотами.  Для изучения данного явления я выполнила эксперименты по извлечению звука из бокалов разной формы с различным наполнением, проделаны опыты для выявления причин звучания бокалов.

Цель исследования:

Изучить возможности получения звуковых колебаний с помощью необычных колебательных систем.

Задачи:

• Выяснить, причину возникновения звуковых волн.
• Установить соответствие между типом бокала и свойствами получаемого звука.
• Найти возможное практическое применение звуковым колебаниям в «поющих» бокалах.

Объект исследования: звуковые волны.

Предмет исследования: звук «поющего» бокала.

Гипотеза:

Звук «поющего» бокала зависит от величины бокала, толщины стенок, количества воды в бокале.

Практическая значимость:

Экологически безопасное и экономичное извлечение звуковых колебаний с поверхности стеклянных сосудов (бокалов).

Извлекая различные звуки с поверхности стеклянных сосудов, постигаем, исследуем сложность и тайну красоты мелодии.

Можно составить музыкальных мелодий, что необычно, интересно и увлекательно.

Методы и средства исследования:

1. Теоретический метод (анализ и синтез);

2. Практический метод: комплекс практических действий (ведение наблюдений, измерения, описание происходящих процессов в словесной и образной формах)

2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Мир звуков так многообразен,
Богат, красив, разнообразен,

Но всех нас мучает вопрос

Откуда звуки возникают,
Что слух наш всюду услаждают?
Пора задуматься всерьез.

История возникновения

Первые упоминания об игре на винных бокалах датируются XII веком в Китае, XIV – в Персии и XV веком в Европе, но только в 1740 году появились профессиональные выступления с использованием поющих бокалов. Это уникальный инструмент, звучание которого иногда сравнивают с арфой, поэтому его предшественника называли "Хрустальной арфой». Впервые музыку на стекле публично упомянули в 1746 году, когда композитор Кристофер Глюк играл на 26 бокалах на своем концерте в Лондоне. Как и четыреста лет назад, сегодня оркестр поющих бокалов – хроматический инструмент с диапазоном звучания 2-3 октавы. Он состоит из 24-36 винных и коньячных бокалов, подобранных или специально изготовленных. Бокалы могут настраиваться стеклодувом, механической обработкой или путем добавления воды.

«Стеклянная гармоника Франклина»

Бенжамин Франклин создал в 1761 году свой собственный стеклянный инструмент, «стеклянную гармонику» - старинный музыкальный инструмент, представлял собой вал, помещённый в продолговатый футляр, до определённого уровня наполненный водой. На этом валу было укреплено до сорока полушарий, постепенно увеличивающихся в размере и вдвинутых друг в друга. Вал с прикреплёнными к нему полушариями приводился во вращательное движение с помощью ножной педали. Перед началом игры стеклянные полушария смачивали и, прикасаясь пальцами к тому или иному полушарию, извлекали желаемые звуки. Звуковой объём этого инструмента имел до трёх-четырёх октав, в зависимости от числа стеклянных чаш от 37 до 46.

Поначалу «стеклянная гармоника» завоевала огромный успех, и приводила слушателей в восторг. Ее все чаще использовали в оркестрах и сольных выступлениях. Для неё было написано несколько десятков пьес, причем среди авторов были и классики — Бетховен и Моцарт, Глинка, Берлиоз, Рубинштейн, Рихард Штраус. Музыка «стеклянной гармоники» была столь чистой и чарующей, что ей даже стали приписывать сверхъестественные свойства: считалось, что она может вызывать судороги, невменяемость, одержимость, а кто-то даже слышал в ней голоса умерших.

Где-то с 1830 года «стеклянную гармонику» начали забывать. Изредка для нее сочинялась музыка, инструмент перестали изготавливать, потому что его заменили другие, более простые в использовании.

Получение звуковых колебаний с помощью различных колебательных систем

Для того, чтобы исполнить музыкальное произведение не всегда нужны музыкальные инструменты в обычном смысле этого слова. Например, можно сыграть на пиле, ложках и даже стаканах, которые издают невероятные звуки!

Звук — упругие волны, продольно распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания. Причина звука? - вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза. Источники звука — физические тела, которые колеблются, т. е. дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или в свистке или жидким, например, волны на воде.

Основные характеристики звука:

Громкость (амплитуда волны)

Скорость звука, высота

Тембр, интенсивность

Частота основного тона

Звук поющего бокала

Я услышала звуки, которые издают обыкновенные бокалы при лёгком поглаживании. Мне было интересно узнать «Как поют бокалы?». Данный вопрос и стал проблемой моей работы.

Объяснение физики поющего бокала достаточно сложно. «Запеть» можно заставить не всякий бокал. Мои исследования доказали, что лучше поют бокалы из простого тонкого стекла. Извлекают звук из бокала, водя пальцем по ободку. Основную роль в возникновении звука играет сила трения между пальцем и краем бокала. В отличие от силы сухого трения, сила трения с водой зависит от скорости скольжения пальца по краю бокала.

Бокал начинает звучать не сразу, он должен «обтереться» и звук достигает своего максимального звучания тоже не сразу. Тонкие бокалы дают довольно чистый звук, однако стоит руке сделать неверное движение, и звук становится неприятным – сложным. При этом вода в бокале совершает движения, образуя волну. (приложение 1)

Опыты

Кроме извлечения звуков я провела опыты для того, чтобы узнать, что влияет на звучание бокалов. Для эксперимента мне понадобились: бокалы, ложка, вода, соль, приемник звука — ухо. (приложение 2)

Выводы:

1) Тон звука при добавлении соли в воду во всех случаях понижается

2) Понижение тона различно и зависит от материала, из которого изготовлен бокал

3) Более низкие звуки получены от бокала из обычного стекла, а более высокие – от хрустального

4) Эффект понижения тона звука практически исчезал после полного растворения соли, так как содержащийся в ней воздух высвобождается.

5) Высота звука зависит от: величины бокала, толщины стенок и количества воды в нём (чем выше уровень воды, тем ниже тон).

Опыт «Угадай мелодию»

Имея небольшое количество бокалов, можно их настроить как музыкальную гамму и играть как на музыкальном инструменте. Мне захотелось попробовать воспроизвести простую мелодию с помощью бокалов с водой.

Для проведения опыта я использовала 3 одинаковых по форме и размеру бокалов, налив в них определённое количество воды. Для настройки тона каждого бокала я регулировала количество воды - подливала или убавляла. С помощью палочки воспроизводила звук и выстраивала бокалы на слух в нужном мне порядке. В итоге, я смогла сыграть мелодию. (приложение 3)

Результаты исследований

Вывод

В ходе своей работы я выяснила причину возникновения звуковых волн, установила соответствие между типом бокала и свойствами получаемого звука и нашла практическое применения звуковым колебаниям в «поющих» бокалах.

3. Заключение

В наше время появились люди, возродившие "стеклянную гармонику", а также другие инструменты из стекла, например, "Поющие бокалы". Таким примером является Александр Лемешев – широко известный музыкант, демонстрирующий виртуозную игру на «стеклянных бокалах».

На открытии параолимпийских игр в Сочи 2014 были использованы поющие бокалы. Андре-Анн Джинграс-Рой исполнила музыку из балета Петра Чайковского «Щелкунчик».

Тибетские монахи используют звук «поющих» чаш во время молитв, а простые люди могут играть на них для релаксации. Эти инструменты применяются сегодня в быту, в медицине, например, психотерапии, музыкотерапии, а также в йоге.

4. Список литературы, интернет-адреса.

1. http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000062/st019.shtml
2.  «Занимательная физика», М.: АСТ, 2005.
3. «Энциклопедический словарь юного физика», М.:, Педагогика,  1989.
4. Асламазов А. Г., Варламов А. А. Удивительная физика: – М.: Добросвет, МЦНМО, 2005.

Приложение 1                                               Приложение 3

Приложение 2

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 средняя общеобразовательная школа №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«Гальванопластика»  

Барабинск, 2022

Оглавление

ГлаваI. Введение........................................................................................................3

Глава II. Основная часть

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие «гальванопластика»....................................................................................4

1.2 История гальванопластики…………........................................................................4

1.3 Электролиз. Законы электролиза..............................................................................5

1.4 Электролиты в гальванопластике.............................................................................6

2. Практическая часть

2.1 Подготовка электролиза............................................................................................7

2.2 Сборка установки.......................................................................................................8

2.3 Рабочий процесс.........................................................................................................9

2.4 Результатработы.......................................................................................................10

Глава III. Заключение

Список литературы.................................................................................................12

Приложение 1...........................................................................................................13

Глава I. Введение

Наука всегда помогала человечеству изобретать что-то новое и делать что-то необыкновенно красивое. Так при помощи метода гальванопластики современное общество сегодня пытается скопировать элементы природы: листья, цветы, букашек, жуков, и сделать из них настоящие произведения искусства. А почему бы и нет: такие изделия всегда будут актуальными и популярными, так как придумать лучшие формы, чем сделала это природа, человеку еще не удавалось.

Актуальность

Методом гальванопластики можно изготавливать ювелирные изделия и точные копии скульптур, монет и медалей, иконы, бюсты и т.д. Я считаю, что это интересный и современный способ получения изделий необычным путём, но готовые установки для гальванопластики очень дорогие, поэтому я хочу собрать свою собственную установку из подручных средств в домашних условиях.

Цели исследования: 

1. Изучить процесс гальванопластики.

2. Вспомнить и повторить процессы и законы, благодаря которым происходит гальванопластика.

3. Собрать установку.

4. Покрыть предмет медью.

Гипотеза: можно ли в домашних условиях, с помощью подручных материалов, покрыть изделие медной оболочкой?

Задачи:

1. Познакомиться с историей гальванопластики.
2. Определить физические законы и явления, связанные с гальванопластикой.
3. Подготовить электролиз.
4. Собрать установку.
5. Провести опыты.
6. Подвести итог.

Глава II. Основная часть

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие «гальванопластика»

Гальванопластика – технология получения точных металлических копий различных предметов, путем осаждения разнородных металлов на модели. Другими словами, мы берем в руки какой-то предмет, который хотим скопировать до мельчайших подробностей. Далее посредством электрохимического влияния и разнородных манипуляций, мы осаждаем на этом предмете тонкий слой металла. На следующем этапе модель отделяется от покрытия.

Основной целью метода гальванопластики является получение точной металлической копии модели, воспроизведение точной формы предмета, или нанесение тонкого покрытия металла. Вы, скорее всего, понимаете, что если взять в руки лист с любого дерева, то его механическими методами просто невозможно скопировать до мельчайших подробностей. На такие подвиги способна только машина или супер точный робот. Однако все равно всех перегибов, выпуклостей и мельчайших деталей компьютеризированный мозг не способен воспроизвести.

1.2 История гальванопластики

Метод гальванопластики изобретён в 1838 году русским физиком Борисом Семёновичем Якоби. В 1836 г. Б.С. Якоби занялся подробным изучением гальванических элементов. Выяснилось, что при прохождении электрического тока через медную пластину, погруженную в воду и помещенную между двумя электродами, отделившаяся от пластины медь равномерно оседала на электроде (токопроводящем элементе), а затем, оторвавшись от него, в точности воспроизводила все особенности его рельефа. Это открытие – настоящая находка для скульпторов, ведь способом электролитического покрытия стало возможным получить любую копию в металле: осаждаясь, медь или другой металл воспроизводит любое изделие, находящееся в форме. Многие скульптуры в Санкт-Петербурге, а именно: на фасаде Исаакиевского собора, в Екатерининском парке, были получены именно этим методом.

1.3 Электролиз. Законы электролиза

        Электролиз – это совокупность электрохимических ОВР процессов, происходящих при прохождении электрического тока через электролит с погруженными в него электродами. На катоде катионы восстанавливаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы.

Исследовал электролиз и открыл его законы английский физик Майкл Фарадей в 1834 году.

        Первый закон электролиза: Масса вещества, выделившегося на электродах при электролизе, прямо пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит.

k – электрохимический эквивалент вещества [мг/Кл]

        Второй закон электролиза: При одинаковом количестве электричества (электрическом заряде, прошедшем через электролит) масса вещества, выделившегося при электролизе, пропорциональна отношению молярной массы вещества к валентности.

m – масса выделившегося вещества [кг]

k – электрохимический эквивалент [кг/Кл]

М – молярная масса вещества [кг/моль]

z – валентность вещества

 1.4 Электролиты в гальванопластике

Существует очень много электролитов, так как для осаждения разных металлов необходимы разные растворы электролитов.

        В практике гальванопластики наибольшее применение получили электролиты омеднения, в частности простой сернокислый электролит примерного состава:

        В практической части проектной работы я использовала именно этот состав.

2. Практическая часть

2.1 Подготовка электролиза

        Для начала я надела средства защиты – резиновые перчатки, так как мне предстояла работа с химическими веществами, взяла металлическую ёмкость, насыпала в неё 100г медного купороса (Рис.1).

Залила купорос тёплой водой и несколько минут тщательно перемешивала, пока медный купорос не растворился. Затем добавила серную кислоту в количестве 40г и так же тщательно перемешала (Рис.2).

После охлаждения смеси до комнатной температуры (22-24℃), я занялась фильтрацией. В воронку поместила ватный диск и начала фильтрацию. Отфильтрованный электролиз перелила в банку (Рис.3,4). 

2.2 Сборка установки

Подготовка рабочего места и необходимого оборудования.

Для омеднения изделия были использованы следующее оборудование и материалы:

1. Ванна для электролита
2. Источник питания
3. Соединительные провода
4. Медные электроды (аноды)
5. Предмет омеднения - гвоздь

В качестве ванны использовалась стеклянная ваза.

В качестве источника питания использовалась батарея с выходным напряжением 0-6 вольт.

Схема установки:

2.3 Рабочий процесс

        Я собрала установку, пришло время проводить первые опыты. Я залила электролит в стеклянную ёмкость. Предварительно обезжирив предмет омеднения, поместила его в электролит и подключила к источнику питания (Рис.7).

Замкнув цепь, сразу же началась реакция (Рис.8). Спустя некоторое время на гвозде начало образовываться медное покрытие (Рис.9).

2.4 Результат работы

        В ходе работы я получила гвоздь, покрытый медью, зачистила его, используя ватный диск. После зачистки гвоздь приобрёл матовое покрытие. Сравнила полученный гвоздь с гвоздём, который не проходил процесс омеднения (Рис.10). Конечно, разница заметна даже невооружённым глазом. Процесс омеднения удался!

Глава III. Заключение

В результате выполнения данной работы я изучила увлекательное явление - гальванопластика. В домашних условиях я собрала установку и своими глазами наблюдала явление электролиза. Моя гипотеза оказалась верна: в домашних условиях, с помощью подручных средств, возможно покрыть изделие медной оболочкой.

Считаю, что элементы моей работы можно использовать в качестве материала на уроках физики в 8 и 10 классах, изучая соответственно темы «Действия электрического тока» и «Закон электролиза» или на уроках химии в 9 классе, изучая «Закон Фарадея», или на элективных курсах, включающих данный материал».

Список литературы

1. https://infourok.ru/galvanoplastika-kak-sposob-obrabotki-izdeliy-3839189.html
2. https://www.alltime.ru/blog/?page=post&blog=watchblog&post_id=galvanoplastika-delaem-ukrasheniya-v-domashnikh-usloviyakh
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванопластика
4. https://metalloy.ru/obrabotka/galvanoplastika
5. Учебник по физике 10 класс Г.Я. Мякишев
6. Книга «Занимательная гальванопластика» Одноралова Н.

Приложение 1

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 средняя общеобразовательная школа №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«Физика в строительстве мостов»  

Барабинск, 2022

Оглавление

I. Введение...................................................................................................................3

Глава II. Основная часть

II.I Понятие «мост» ……………......................................................................................4

II.II Сила упругости. Закон Гука…………......................................................................4

II.III Сила тяжести. Закон Всемирного тяготения..........................................................5

II.IV Сила трения…..........................................................................................................5

II.V Виды мостов..............................................................................................................6

Глава III. Строительство собственного моста

III.I Этап 1.........................................................................................................................8

III.II Этап 2......................................................................................................................10

III.III Этап 3....................................................................................................................10

III.IV Этап 4....................................................................................................................12

IV. Заключение.........................................................................................................13

V. Список литературы............................................................................................14

I. Введение

При строительстве мостов учитываются различные законы физики и физические явления. Я выбрал эту тему, потому что мне стало интересно узнать, как возводились мосты, какие технологии строительства использовались и как физика связана с мостостроением. Я решил изучить какие законы физики и физические явления учитывают в строительстве моста, и как действия законов физики на конструкцию могут изменяться в зависимости от различных внешних факторов: ветра, температуры воздуха, осадков.

Актуальность

В мостах люди нуждались с древних времен, и до нашего времени мостостроение остается актуальным. С разрастанием мегаполисов и увеличением населения, а также появлением автомобилей, для преодоления препятствий и переход через реки, люди стали нуждаться в мостах более крупных, с многополосным движением.

Цели исследования: 

1. Изучить влияние физических законов и сил на состояние моста.

2. Вспомнить и повторить законы, благодаря которым работают простые и сложные механизмы.

Мною были поставлены следующие задачи:

1. Познакомиться с историей строительства мостов и изучить их виды.
2. Определить физические законы и явления, связанные со строительством   моста.
3. Построить модель моста из спагетти.

Глава I. Основная часть

II.I Понятие «мост»

Мост – искусственное сооружение, перекинутое через реку, овраг, озеро или другое физическое препятствие. По назначению мосты подразделяются на автодорожные, железнодорожные, пешеходные, совмещённые и другие. По материалу основной конструкции мосты различают – каменные, железо-бетонные, стальные, деревянные. В зависимости от конструкции мосты бывают балочные, висячие, комбинированные. Особая группа мостов разводные и сборно-разборные. 

II.II Сила упругости. Закон Гука

Мосты должны быть не только прочными, жесткими, устойчивыми, но самое главное надежными, поскольку опираются малой площадью своих фундаментов на грунт, который в большинстве случаев находятся в водоемах или рядом с ними. Физические свойства материалов и физические законы определяют, насколько прочным будет мост. При создании конструкции моста необходимо учитывать, как по конструкции распределяются силы, действующие на мост. Конструкции мостов испытывают все виды деформаций: сжатия и растяжения, изгиба, кручения, сдвига. Чтобы мост долго служил, необходимо, чтобы деформации были упругими, то есть исчезали после снятия нагрузки. Для того чтобы мост был стабилен, необходимо, чтобы все приложенные к нему силы находились в равновесии.

Сила упругости появляется только тогда, когда тела деформируются. Под тяжестью автомобилей дорожное полотно моста будет прогибаться, а стальные ванты растягиваться. По закону Гука возникнет сила упругости. Поэтому, конструкция моста должна обладать жесткостью, прочностью и устойчивостью.  Жесткость – это способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации.   Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок.  Устойчивость моста – это способность находится под действием сил в равновесии, почти не отклоняться при лёгких толчках, порывах ветра.  И после незначительного отклонения возвращаться в положение равновесия.

Сила упругости неразрывно связана с силой тяжести, а также с весом тела.

k – коэфф. жёсткости [H/м]

∆x – удлинение [м]

II.III Сила тяжести. Закон Всемирного тяготения.

Сила тяжести – это та сила, которая действует абсолютно на каждое тело, она заставляет тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения.

Вес конструкции – это сила, которая воздействует на опору, препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. При этом возникшие упругие силы начинают действовать на тело.

II.IV Сила трения

В конструкции все материалы и крепления соприкасаются между собой, возникает трение.

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же сила действует и на второе тело, но направленная в противоположную сторону.

Дорожное полотно крепится к арке стальными вантами. Все тросы, винты, гайки удерживает сила трения. При отсутствии трения было бы нельзя собрать мост.

II.V Виды мостов

1. Это простейший вид моста, состоящий из двух или нескольких опор, на которые уложена балка, настил, пластина или иная более сложная конструкция. Это один из древнейших видов мостов.

2. Второй древнейший вид мостов – это мост, опирающийся на арки. Сила, которая действует на пролёт моста, разделяется в опоре на две части, в каждой из которых она перенаправляется по окружности в сторону основания опоры.

3. В консольном мосте используется специальная конструкция, в которой на два опорных пролёта укладывается третий, с тем чтобы уменьшить нагрузку на опоры. 

4. Подвесной мост (вантовый мост)

Используются также конструкции, в которых дорожное полотно поддерживается системой прямолинейных канатов, закреплённых непосредственно на пилонах. Такие мосты называются вантовыми. Тросы перераспределяют нагрузку с пролётов моста на опорные башни, а те в свою очередь перенаправляют её в сторону основания, к земле. 

Глава III. Постройка собственного моста

III.I Этап 1. Выбор фермы. Подготовка места.

Ферма Пратта (рис.1) была запатентована в 1844 году двумя железнодорожными инженерами из  Бостона  – Калебом Праттом и его сыном Томасом Уиллисом. В конструкции используются вертикальные сжатые элементы и горизонтальные растянутые элементы. Ферма Пратта одинаково хорошо работает при воздействии нагрузки сверху и снизу.

Характеристики конструкции

Длина – 50 см = 500 мм

Высота – 13 см = 130 мм

Ширина – 6 см = 60 мм

Масса конструкции – 220±10 грамм = 0,220±0,01 кг

Спагетти MAKFA из твердых сортов – 1 пачка

Клеевой пистолет DEXX

Стержни клеевые matrix  

III.II Этап 2

Собрал дорожное полотно моста.

III.III Этап 3

 Надежно прикрепил фермы друг к другу и к обеим сторонам полотна.

III.IV Этап 4

Укрепил фермы.

IV. Заключение

В результате выполнения данной работы у меня расширились знания о физике. Я доказал, что при строительстве мостов надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий. Выявил и доказал связь строительства моста с физическими явлениями и законами.

Я думаю, мои исследования интересны не только мне, но и тем, кто хочет больше узнать, на сколько, физика изучает все законы природы: начиная от простейших и заканчивая наиболее общими принципами естествознания. Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возрастает в современном строительстве.

Характеристики конструкции

Длина – 48 см = 480 мм

Высота – 13 см = 130 мм

Ширина – 6 см = 60 мм

Масса конструкции – 211 грамм = 0,211 кг

V. Список литературы

1. https://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/poniatie-raboty-v-fizike-moshchnost-energiia-11875/prostye-mekhanizmy-rychag-naklonnaia-ploskost-11878/re-9c768fb7-4f71-4cfa-aecc-3c3c204a9ecc
2. Журнал «Квант»
3. Журнал «GEO», 40 выпуск
4. https://infourok.ru/fizika-v-stroitelstve-i-arhitekture-2326824.html
5. https://www.portal-slovo.ru/impressionism/45321.php

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа МБОУ СОШ №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«Свойства звука»

Выполнила: Щербакова Полина,

учащаяся 11 «И» класса

Руководитель: Хромов Борис Николаевич,

учитель физики МБОУ СОШ №3

Барабинск, 2022

Оглавление

Аннотация        3

Гипотеза и цели.        4

Теоретическая часть.        5

Практическая часть        .7

Заключение и список литературы..............................................................................9

Аннотация

Считаю, что работа является актуальной, потому что звуки в жизни человека играют важную роль. Нас окружает огромное разнообразие звуков. Человек научился применять звук в различных сферах своей деятельности, изучает его влияние на здоровье людей.

В связи с этим можно сказать, что изучение природы звука является очень важным и перспективным направлением.

Гипотеза

Если вертикальная струя воды входит в стеклянный сосуд, то может возникнуть звук, и по мере наполнения стеклянного сосуда его свойства будут изменяться.

Цели

1. Понять, что такое звук.

2. Понять, как образуется звук.

3. Понять, как изменяются свойства звука

Теоретическая часть

        Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде ( в вакууме звука не будет). Или можно сказать, что звук представляет собой волновой процесс передачи энергии/давления в пространстве от некого колебательного источника.

Для того чтобы возник звук должен быть некий источник колебаний, взаимодействующих с окружающей средой. Если мы слышим какой-либо звук, то значит где-то есть его источник, что-то или кто-то излучает звуковые волны в пространство. Источник всегда колебательный: что-то колеблется и передает колебания дальше с помощью среды. Это могут быть голосовые связки человека, струны музыкального инструмента или любой «излучатель», тот же акустический динамик. На образование звука всегда тратится какая-то энергия и совершается некая работа. Известный из физики принцип «ничто не дается просто так» или «ничто не возникает и не уходит в никуда» работает безотказно всегда, не будет исключением и звук. На создание, которого должна совершиться механическая работа и затратиться энергия.

Главные Характеристики звука:

1) Амплитуда

2) Частота

Амплитуда характеризует громкость звука, а частота определяет тон. Существует 4 физических параметра звука: интенсивность, колебательная скорость, акустическое давление и скорость звука. Рассмотрим сначала первое.

Интенсивность звука.

Интенсивность звука (сила звука) —скалярная физическая величина, характеризующая количество энергии, перенесенное звуковой волной за какой-то период времени через среду. От интенсивности волны напрямую зависит  громкость звука и соответственно амплитуда волны.

Колебательная скорость.

Колебательная скорость, виброскорость — скорость колебательного движения частиц среды, расстояние проходимое частицей за единицу времени — секунду. Единица измерения в СИ — метр в секунду (м/с). Для гармонических колебаний колебательное смещение u определяется выражением.

 u = р/Z(s) где р – звуковое давление, а Z(s) - удельное акустическое сопротивление (акустическая жёсткость)

Акустическое давление.

Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — паскаль (Па).

Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:

I= ((р2)t)/ Z(s)

I – интенсивность звука

Р – звуковое давление

Z(s) - удельное акустическое сопротивление

()t – усреднение по времени

Примеры звукового давления:

0 — ничего не слышно — порог слышимости для синусоидальной волны с частотой 1 кГц;

5 — почти ничего не слышно — безмолвие в горах;

50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина;

140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;

2367 — планковское давление — 4,63309·10113 Па.

Давление свыше 140 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки, баротравмы и даже смерть.

Скорость звука.

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях.

В газообразных средах наименьшая молекулярная плотность, оттого скорость звука будет самой низкой.

В твердых телах отмечают наибольшую скорость распространения звуковых волн. В них могут существовать 2 типа волн: продольные и поперечные. Скорость этих волн будет различной. В продольной всегда скорость будет больше скорости поперечной. Скорость во всех средах меняется с изменением температуры в прямой зависимости.

Скорость звука в воздухе зависит от температуры и в нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

Скорость звука для других сред можно вычислить по формуле:

 Где в – адиабатическая сжимаемость, а р – плотность среды.

Практическая часть

Перейдем к практической части. Если вертикальная струя воды входит в стеклянный сосуд, то может возникнуть звук, и по мере наполнения стеклянного сосуда его свойства будут изменяться. Давайте проверим это путем проведения эксперимента. В пустой стеклянный цилиндрический сосуд будем наливать воду, и следить за изменением частоты со временем. Для этого нам понадобится штатив с закрепленной на нем воронкой, сам стеклянный цилиндрический сосуд и микрофон для более точных данных.

Из полученных данных вывела зависимость изменения частоты со временем в графике.

Из графика четко видно, что с течением времени частота колебаний увеличивается. Мы знаем, что тон зависит от частоты в прямой зависимости. Значит, по мере заполнения сосуда водой тон будет увеличиваться. Звук зависит от множества параметров. Например,  если бы мы взяли вместо цилиндрического сосуда бутылку с горлышком, то частота звука была бы меньше и колебания происходили бы по схеме резонатора Гельмгольца. Воздух в горлышке будет играть роль инертной массы, а воздух внутри сосуда будет сжиматься и разжиматься подобно пружине. А значит и тон был бы меньше.

Заключение

            Изучив литературу по теме исследования и рассмотрев изменение тона при наполнение стеклянного сосуда могу сделать вывод о том, что звук – удивительное и необходимая для изучения явление. Звук зависит от множества параметров таких как: наличие горлышка у сосуда, объем сосуда, площадь горлышка, длина горлышка, диаметр струи, высота струи и многие другие. Это направление необходимо изучать и развивать. Ведь, приобретенные знания помогут нам в дальнейшей жизни.

Список литературы

1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Звук

2) https://ru.wikipedia.org/wiki/Интенсивность_звука

3) https://ru.wikipedia.org/wiki/Колебательная_скорость

4) https://ru.wikipedia.org/wiki/Скорость_звука

5) https://zen.yandex.ru/video/watch/6090d70dc235fb60b62f17ad

6) https://ru.wikipedia.org/wiki/Громкость_звука

7)https://yandex.ru/search/?clid=1882610&text=Акустика+заполняемой+бутылки&l10n=ru&lr=20098

8) https://nopoint.ru/zvukovye-volny/

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя образовательная школа №3 Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

 «Ферромагнетизм»

Барабинск, 2022

Оглавление

Введение………………………………………..….…………....…….…..……...3

Актуальность………………..….……………………………………..........…....3

Цель и задачи…………………….….…….…......................................................3

Метод исследования…………….………..…..………………….……….….…..3

1. Основная часть….…..………………….…...….…………………………..….4

1.1 Явление магнетизма.……………………………….………….…...….....….4-5

1.2 Виды магнетизма…...................................................…….…………….…....5-6

1.3 Ферромагнетизм………………...…….….…....………………………....….6-7

1.4 Точка Кюри……...…….………………...………….……..…………............7

2. Практическая часть …………………………...………..………….………....8

3. Заключение……………………………...……….............................................9

4. Список используемой литературы .....….…………………………………..10

Введение

   В жизни мы не раз сталкиваемся с таким понятием, как «магнетизм», которое мы также можем встретить в быту и в повседневной жизни в виде приборов, обладающие магнитными свойствами, но все же дать точное и научное объяснение мы затрудняемся из-за отсутствия нужных знаний в этой области.

   Цель проектной работы: изучение и объяснение явления магнетизма и его видов; подробное исследование ферромагнетизма.

   Задачи:

  • Изучить теорию по теме проекта.

  • Рассказать об явлении магнетизма и его видах.

  • Выполнить практическую работу, связанную с ферромагнетизмом.

  • Сделать вывод по теме проекта.

   Принцип ферромагнетизма я буду демонстрировать экспериментальным путем, сделав в домашних условиях ферромагнитную жидкость.

Основная часть

   Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля.

   Существуют различные сведения о первом упоминании магнитов, обычно рассматривающихся в истории Древнего мира в контексте компаса или религиозных культов. Согласно одним оценкам, магнетит или магнитный железняк впервые был открыт в Китае за четыре тысячи лет до н. э. При этом отмечается, что западным исследователям свойственно отдавать приоритет в открытии магнетизма древним грекам. Другое греческое название магнита — «Геркулесов камень». 

   Одной из важнейших вех в истории физики магнитных явлений стало осуществление в 1820 году опыта Эрстеда с магнитной стрелкой, фактически подтолкнувшего учёных к созданию единой теории электромагнитных взаимодействий.  В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1841 г. Джеймс Росс достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде. В 1831 году Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и впервые ввёл в обращение термин «магнитное поле».

   С явлением магнетизма мы также можем встретиться на уроках географии, при изучении магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли — это гигантское магнитное силовое поле, окружающее всю Землю, которое защищает планету от космического излучения; это магнитосфера Земли. Магнитное поле Земли также называют геомагнитным полем. Это силовое поле можно представить, будто через ядро Земли проходит длинный намагниченный стержень. Северный полюс магнита расположен около географического Северного полюса (Земли), а южный полюс магнита — около Южного полюса.  Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра (Рис 1.1) и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

                                    Рис 1.1 «Защита от солнечного ветра»

   В физике принято различать несколько типов магнетизма:

1. Диамагнетизм – это свойство вещества слабо намагничиваться противоположно внешнему магнитному полю (висмут, медь).
2. Парамагнетизм – это свойство вещества слабо намагничиваться согласованно с внешним магнитным полем (алюминий, натрий).
3. Антиферромагнетизм – это состояние вещества, при котором магнитные моменты соседних частиц вещества направлены навстречу друг другу, и поэтому намагниченность очень мала (марганец, хром).
4. Ферримагнетизм – одно из магнитоупорядоченных состояний вещества, в котором магнитные моменты атомов антипараллельны, но не компенсируются полностью (нескомпенсированный антиферромагнетизм) (оксиды металлов с оксидом железа).
5. Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью.

                                 Рис 2.1 «Домены в различных проводниках»

   Различия всех видов магнетизма в проводниках (Рис 2.1) заключаются в поведении их спинов (вращательный момент электрона) и доменов (ориентация спинов). Благодаря которым, проводники обладают магнитными свойства по-разному.

   Ферромагнетизм — появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу.

   Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитномягкие материалы, такие как отожженное железо, которое может быть намагничено, но не имеет тенденции оставаться намагниченным, и магнитножёсткие материалы, которые сохраняют остаточную намагниченность. Постоянные магниты изготавливаются из «жёстких» ферромагнитных материалов, таких как альнико (Al,Ni,Co,Fe), и ферримагнитных материалов, таких как феррит, которые во время производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что затрудняет их размагничивание. Большой вклад в развитие теории ферромагнетизма внесли российские ученые Лев Ландау, Евгений Лифшиц и Ян Френкель.

   Ферромагнетики – это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. 

Ферромагнетики являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

                 Рис 3.1 «Железо»                                    Рис 3.2 «Кобальт»

Рис 3.3 «Никель»

   На рисунках 3.1-3.3 представлены вещества, являющиеся хорошими ферромагнетиками.

    Температура Кюри (точка Кюри) - это температура, при которой материал теряет свою постоянную намагниченность. Это явление было обнаружено французским физиком Пьером Кюри в 1895 году. При температуре  ниже точки Кюри  ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Температура Кюри некоторых веществ: железо - 770℃, никель - 365℃, кобальт - 1000℃.

Практическая часть

Заключение

   Целью проектной работы было, изучение и объяснение явления магнетизма и его видов; подробное исследование ферромагнетизма. В ходе работы, я убедился в том, что все магнитные явления, которые мы можем встретить, имеют свое научное объяснение.

Список используемой литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнетики - ферромагнетики

https://ru.wikipedia.org/wiki/Точка_Кюри - точка Кюри

https://www.uznaychtotakoe.ru/magnitnoe-pole-zemli/ - магнитное поле Земли

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №3

Барабинского района Новосибирской области

Индивидуальный проект

«Физическое обоснование изменения

цвета пламени»

Барабинск, 2022

Оглавление

Введение        2

Глава 1. Изменение цвета пламени: теоретические основы        3

1.1 Определение и свойства        3

Классификация        3

Зоны        3

Температура        4

Скорость распространения        4

1.2 История появления        5

1.3 Области применения        6

1.4 Зависимости цвета пламени        8

Глава 2.  Практическая часть        10

2.1 Экспериментальная установка        10

2.2 Результаты опыта        10

Заключение        11

Список литературы        12

Введение

Человечество на протяжении многих лет занимается изучением физических явлений, благодаря чему сейчас мы можем создавать сложные устройства. Вы задумывались, что лежит в основе обычных для нас вещей, например, фейерверков? Для изменения его цвета используют различные элементы: для красного – карбонат лития, для оранжевого – хлорид кальция. А можно ли при помощи этих же элементов изменить цвет пламени?

Исследуемая проблема: -Чем объясняется изменение цвета пламени?

Я считаю, что тема моего проекта актуальна, так как данный проект позволит расширить знания в сфере физики. Также актуальность определяется легкостью выполнение данного опыта, который может проводиться, как на уроках, так и на различных шоу. Кроме того, это свойство может быть использовано в промышленности и для создания новых вещей.

Цель проектной работы – Провести физический опыт и выяснить от чего зависит цвет пламени

Поставленная мною цель предполагает решение следующих задач:

1. Изучить историю открытия явления изменения цвета пламени;
2. Найти в каких областях применяется данное свойство;
3. Составить и приобрести список необходимого для проведения опыта;
4. Собрать экспериментальную установку;
5. Зафиксировать полученный результат;
6. Исследовать явление.

Методы исследования:

Экспериментально-теоретический: эксперимент, лабораторный опыт, исторический, моделирование, анализ.

Практическая значимость проекта: материалы моего проекта могут использоваться для проведения уроков физики, а также интересны людям любого возраста.

Результатом моих стараний стала проектная работа на тему «Физическое обоснование изменения цвета пламени»

Глава 1. Изменение цвета пламени: теоретические основы

1.  Определение и свойства

Пламя — раскаленная газообразная среда, образующаяся при горении и электроразрядах, состоящая в значительной степени из частично ионизированных частиц, в которой происходят химические взаимодействия и физико-химические превращения составных частиц среды (в том числе горючего, окислителя, примесных частиц, продуктов их взаимодействия). Сопровождается интенсивным излучением (в УФ, ИК, видимой части спектра - «свечением») и выделением тепла

Классификация

Пламя классифицируют по:

• агрегатному состоянию горючих веществ: пламя газообразных, жидких, твердых и аэродисперсных реагентов;
• излучению: светящиеся, окрашенные, бесцветные;
• состоянию среды горючее-окислитель: диффузионные, предварительно перемешанных сред;
• характеру перемещения реакционной среды: ламинарные, турбулентные, пульсирующие;
• температуре: холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;
• скорости распространения: медленные, быстрые;
• высоте: короткие, длинные;
• визуальному восприятию: коптящие, прозрачные, цветные.

Зоны

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки). Внутри конуса пламени имеются:

• темная зона (300-350 °С), где горение не происходит из-за недостатка окислителя;
• светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500-800 °С);

• едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и максимальной температурой (900-1500 °С).

Температура

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя. Например:

• Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов – 300 °С.
• Температура пламени в горящей сигарете – 250-300 °С.
• Температура пламени спички 750-1400 °С; при этом 300 °С – температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 800–1000 °С.
• Температура горения пропан-бутана – 800-1970 °С.
• Температура пламени керосина – 800 °С, в среде чистого кислорода – 2000 °С.
• Температура горения бензина – 1300-1400 °С.
• Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
• Температура горения магния – 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.

Скорость распространения

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущенной), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой нормальной скорости распространения пламени (далее – НСРП) является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимальную возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей – от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т.д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин при:

• Дефлаграционном горении – до 100 м/с;
• Взрывном горении – от 300 до 1000 м/с;
• Детонационном горении – свыше 1000 м/с.

1.  История появления

Впервые исследованием окрашивания пламени ученые заинтересовались в XIX веке. Роберт Бунзен - немецкий химик-экспериментатор, заметил, что при добавлении различных веществ в бесцветное пламя, оно окрашивалось. После этого он стал проводить опыты и исследования, добавлял различные элементы и составлял перечень веществ и тех цветов, в которые окрашивалось пламя горелки.

 Так опыты убедили его в том, что таким способом можно определять наличие определенных веществ в соединениях. Был открыт новый способ химического анализа. Роберт Бунзен совместно с Густавом Кирхгофом при помощи спектроскопа смогли понять и объяснить процесс окрашивания пламени веществами. Пучок света от горелки, проходящий через призму «зажигал» определенные линии спектра. И у каждого вещества они были свои. Способ определять химический состав таким образом был назван учеными спектральным анализом. Но возникает вопрос, как же все- таки человеческий глаз улавливает эти самые цвета? Нильс Бор в 1913 году ответил на него. Он доказал, что атомы могут перескакивать с одной орбиты на другую, не пересекая их границ («квантовый скачок»). При скачке на орбиту, находящуюся ниже, атом испускает порцию света, называемую фотоном. А глаз человека, в свою очередь, различает эти самые фотоны разных энергий по цвету. Проще говоря, под воздействием тепла в пламени появляются отдельные атомы вещества, которые излучают свет определенной частоты и длины волны. Таким образом, Бунзен увидел, что желтый цвет – признак натрия, а фиолетовый - калия. Следовательно, каждое определенное вещество (металл, соединения, содержащие металлы) испускает различное количество света, благодаря которому мы видим определенный цвет пламени для каждого вещества.

2.  Области применения

Благодаря свойству атомов и молекул испускать свет определенного цвета был разработан метод определения состава веществ, который называется спектральным анализом. Ученые исследуют спектр, который испускает вещество, например, при горении, сравнивают его со спектрами известных элементов, и, таким образом, определяют его состав. Бунзеновская горелка используется для исследования минералов и определения их состава. Роберт Бунзен был родоначальником метода определения состава вещества по цвету пламени.

Металлы, соли которых окрашивают пламя в различные цвета, используют для приготовления цветных огней для салютов и римских свечей. Фейерверки во время праздников расцвечивают небо красивыми красками и собирают огромное количество любителей эффектного светового шоу. Хлорид лития используется в пиротехнике для придания пламени темно-красного оттенка. Хлорид стронция компонент пиротехнических составов - придает пламени карминово-красный цвет. Для подачи сигналов бедствия используются сигнальные ракеты. В рыболовных и охотничьих магазинах можно приобрести сигнальные факелы или файеры. В оборонной промышленности используются трассирующие боеприпасы, которые светятся в полете и позволяют солдатам вести прицельный огонь ночью. Тёплую и приятную атмосферу в доме создают камин или свечи. В канун миллениума китайский бизнесмен Лу Цзин основал кампанию, которая выпустила на рынок свечи с цветным пламенем. Высоко ценится для топки каминов древесина, прибитая к океанскому берегу. Находясь, долгое время в море, бревна адсорбируют большое количество разных веществ. Эти вещества при горении бревен окрашивают пламя во множество разных цветов.

Сегодня активно ведутся разработки безопасных фейерверков. Ученые пытаются вывести подходящие формулы и найти верные рецептуры для безопасной пиротехники. Академик Александр Ферсман назвал стронций «металлом красных огней». Соли стронция окрашивают фейерверки в красный цвет, а соли бария – в зеленый. Соли стронция и бария опасны. Дым после фейерверков опасен для людей, которые имеют заболевания органов дыхания (аллергиков, астматиков). Таким людям становится тяжело дышать. Тяжелые металлы оседают на почву, попадают в водоемы, что приводит отравлению живых организмов. Световые эффекты, шум от фейерверков приводит к тому, что птицы вынуждены покинуть места, выбранные для ночлега и гнездования. Статистика об использовании пиротехники за первые дни нового 2022 года печальна: только в Москве от взрывов петард и салютов пострадали более 10 человек. Возможно, красивое лазерное шоу может стать хорошей альтернативой более дорогим фейерверкам и салютам

1.4 Зависимости цвета пламени

В лабораторных условиях можно добиться бесцветного огня, который можно определить лишь по колебанию воздуха в области горения. Бытовой же огонь всегда "цветной". Цвет огня определяется, главным образом, температурой пламени и тем, какие химические вещества в нем сгорают. Высокая температура пламени дает возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокое энергетическое состояние. Когда атомы возвращаются в исходное состояние, они излучают свет с определённой длиной волны. Она соответствует структуре электронных оболочек данного элемента.

Знаменитый голубой огонек, который можно видеть при горении природного газа, обусловлен угарным газом, который и дает этот оттенок. Угарный газ, молекула которого состоит из одного атома кислорода и одного атома углерода, является побочным продуктом горения природного газа.

Желто-оранжевое пламя дают соли натрия (поваренная соль — это хлорид натрия). Такими солями богата древесина, поэтому обычный лесной костер или бытовые спички горят желтым пламенем.

Медь придает пламени зеленый оттенок. При высоком содержании меди в сгораемом веществе пламя имеет яркий зеленый цвет, практически идентичный белому.

Зеленый цвет и его оттенки огню придают также барий, молибден, фосфор, сурьма. В синий окрашивает пламя селен, а в сине-зеленый - бор. Красное пламя даст литий, стронций и кальций, фиолетовое – калий, желто-оранжевый оттенок выходит при сгорании натрий.

Глава 2.  Практическая часть

2.1 Экспериментальная установка

В качестве практической части я провела эксперимент, состоящий в том, чтобы поджечь смесь раствора салициловой кислоты и элемента, дающего определенный цвет. Оборудование, которое пригодилось для проведения опыта: Спиртовой раствора салициловой кислоты, пипетка Пастера, металлические чашечки, медный купорос, хлорид стронция, борная кислота, хлорид натрия.

Этапы эксперимента:

1. Поставить 5 чашечек на негорючую поверхность
2. В каждый сосуд высыпать по 1 пробирке вещества
3. В каждый сосуд налить по 1 мл раствора салициловой кислоты
4. Поджечь содержимое

2.2 Результаты опыта

Итак, получилась красочная палитра пламени:
Медный купорос окрасил огонь в синий цвет, борная кислота – в зеленый, хлорид стронция – в красный, хлорид натрия – в ярко-желтый, а раствор салициловой кислоты будет гореть «естественным» цветом – прозрачным с голубым отливом.

Заключение

Цветное пламя – удивительное явление, которое является результатом химической и физической реакций. Каждая соль дает свой особенный цвет. Абсолютно каждый человек может самостоятельно собрать экспериментальную установку и рассмотреть зависимость цвета от вещества. Кроме того, цвет зависит и от температуры, чем выше – тем холоднее оттенок.

Знакомство с материалами позволило мне провести опыт и самой наблюдать цветное пламя.

В дальнейшем работа моя будет продолжаться, я планирую поделиться своим опытом с сверстниками и познакомиться с другими физическими явлениями такими, как эффект Мандельбаума, сдвиг Федорова.

Итак, цели и задачи, поставленные мной в начале, достигнуты. Таким образом, я провела эксперимент, а также создала буклет с основной информацией, узнала много нового и познакомила других с данным явлением.

Материалы моей проектной работы можно использовать на уроках физики и химии и для проведения файер-шоу.

Список литературы

1. http://nsh.org/public/storage/data/GK/GK_2015/2_bio/288b6ffbd4d110f0ab44a26549bf8405.pdf
2. https://fireman.club/inseklodepia/plamya/
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D1%8F#:~:text=%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%20%D0%B2%D0%BE%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B1%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%B8%D0%BD%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0%20%D1%82%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D1%8B%D1%85,%E2%80%94%20800%E2%80%931970%20%C2%B0%D0%A1.
4. https://books.google.ru/books?id=ZuE2DwAAQBAJ&pg=PA93&lpg=PA93&dq=%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8+% B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE+%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B8&source=bl&ots=wJTCUb-7MB&sig=ACfU3U2lvYN5X4a_v54ZoXcSVoheOK4Q&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjflOL1lq_1AhXfAxAIHQr6B7UQ6AF6BAgtEAM#v=onepage&q=%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B8&f=false
5. https://xn---96-5cd3cgu2f.xn--p1ai/raznoe-2/okraska-plameni-solej-metallov-czvetnoe-plamya.html
6. https://fis.wikireading.ru/hTePcZb6sW
7. http://www.kinetics.nsc.ru/comp/comp2008/Palet2.pdf
8. http://www.kubera.narod.ru/kluch/okpl.htm
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D1%80,_%D0%9D%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%81